MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 38, s. 161-165, Gliwice 2009 ANALIZA ROZKŁADU NACISKÓW POD STOPĄ PODCZAS CHODU CZŁOWIEKA JOLANTA PAUK 1, MIKHAIŁ IHNATOUSKI 2 1 Katedra Automatyki i Robotyki, Politechnika Białostocka e-mail: jpauk@pb.bialystok.pl 2 Centrum Zachowania Zasobów Białoruskiej Akademii Nauk w Grodnie e-mail: mii_by@mail.ru Streszczenie. W pracy przedstawiono charakterystykę 20 dzieci ze stopą prawidłową i 60 dzieci ze stopą płasko-koślawą. Osobom badanym wykonano pomiary rozkładu ciśnienia pod stopą za pomocą systemu baropodometrycznego. Badaniami objęto dzieci z Grodna (Białoruś) i Podlasia w wieku 8-15 lat. 1. WSTĘP Z anatomicznego punktu widzenia stopa człowieka jest narzędziem statycznym, spełniającym dwie funkcje: podparcia i przemieszczania ciała w stosunku do podłoża [1]. Badanie stóp jest nie tylko domeną lekarzy, lecz również, w pewnych niezbędnych obszarach, jest wykonywane przez bioinżynierów. Diagnoza stanu stopy dziecka powinno być określona na podstawie dokładnych metod badawczych. Do najczęściej stosowanych można zaliczyć metody: biometryczne, biomechaniczne, rentgenograficzne i fizyczne [1]. Obecnie, w warunkach statycznych, wykorzystuje się plantokonturografię, podoskopię, skanery, itp. Natomiast do określenia stanu stóp, w warunkach dynamicznych, używa się platform dynamometrycznych oraz mat z czujnikami. Rozmieszczenie nacisków na podeszwowej stronie stopy jest jednym z istotniejszych badań stopy człowieka. Dostarcza ono cennych informacji o kształcie i funkcjonowaniu stopy w statyce i dynamice. Celem pracy jest przedstawienie parametrów chodu człowieka, uzyskanych z systemu baropodometrycznego takich jak: powierzchnia oraz czas kontaktu poszczególnych regionów stopy z podłożem, a także maksymalna siła nacisku w stopach prawidłowych i płaskokoślawych. 1 Praca finansowana z projektu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr N N501 0088 33 oraz Politechniki Białostockiej nr W/WM/6/08.
162 J. PAUK, M. IHNATOUSKI 2. MATERIAŁ I METODA Przebadano 20 dzieci ze stopami prawidłowymi (40 stóp) i 85 dzieci ze stopą płaskokoślawą (170 stóp) z okolic Grodna (Białoruś) i Podlasia w wieku 8-15 lat za pomocą systemu baropodometrycznego. Średnia masa ciała osób badanych wynosiła 47 kg, odchylenie standardowe 7 kg. Pomiar przy użyciu tego systemu polegał na badaniu stopy za pomocą wkładki pomiarowej z czujnikami, wkładanej do obuwia osoby badanej (rys.1). Dzieci badane przechodziły kilka razy wzdłuż ścieżki pomiarowej. Rejestrowano po dwa przejścia obu stóp jednocześnie. Rys.1. Baropodometryczny system do badania stóp W stopie wyodrębniono pięć obszarów, które odpowiadają obszarom anatomicznym podeszwowej części stopy (rys.2): 1. paliczki; 2. kości śródstopia; 3. kość sześcienna; 4. kość łódkowata (sklepienie stopy); 5. kość piętowa. 3. WYNIKI Rys.2. Wyodrębnione obszary anatomiczne stopy Z badań uzyskano pomiar rozkładu nacisków na podeszwowej stronie stopy w formie kolorowych obrazów, pokazujących maksymalne naciski, jakie pojawiły się w czasie przekolebania stopy, tzn. od momentu zetknięcia pięty z podłożem do odbicia stopy od podłoża, które nastąpiło po uniesieniu pięty i przeniesieniu ciężaru ciała na palce [7]. Przeanalizowano wyniki dla osób ze stopą prawidłową i płasko-koślawą. Na rys. 3 przedstawiono trójwymiarowy wykres barometryczny pacjenta ze stopą płasko-koślawą wraz z trajektorią przemieszczenia centrum nacisku dla obu stóp.
ANALIZA ROZKŁADU NACISKÓW POD STOPĄ PODCZAS CHODU CZŁOWIEKA 163 Rys.3. Rozkład nacisku na stopy u dziecka ze stopą płasko-koślawą po operacji lewej stopy wraz z trajektorią przemieszczania się centrum nacisku kończyn dolnych Na rys. 4 przedstawiono rozkład nacisku sumarycznego lewej i prawej kończyny dolnej w czasie chodzenia. Rys.4. Rozkład nacisku na kończyny dolne w czasie chodzenia: L lewa kończyna; R prawa kończyna W tabeli 1. zamieszczono wyniki pomiarów takich cech jak: powierzchnia kontaktu poszczególnych regionów stopy z podłożem, maksymalna siła nacisku oraz czas kontaktu poszczególnych regionów stopy z podłożem dla stóp prawidłowych. Tabela 1. Parametry (wartości średnie) odczytane z badań dynamicznych dla stóp prawidłowych Obszar T [µs] P [N/cm2] S [cm2] Stopy 1 313 ± 68 3.0 ± 1.7 7.1 ± 3.9 2 397 ± 39 5.9 ± 0.7 25.7± 3.4 3 397 ± 23 3.8 ± 1.5 13.4 ± 1.9 4 339 ± 37 2.5 ± 1.5 3.6± 2.2 5 397 ± 37 8.9 ± 1.3 20.1 ± 1.7 T czas kontaktu z podłożem; P maksymalny nacisk; S powierzchnia kontaktu. Analiza wyników uzyskanych z systemu baropodometrycznego dowiodła, że dla stopy prawidłowej największą powierzchnię kontaktu zajmują odpowiednio: głowy kości śródstopia, pięta i kość sześcienna. Największy maksymalny nacisk występuje na pięcie i głowach kości
164 J. PAUK, M. IHNATOUSKI śródstopia. Mniejsze maksymalne naciski występują na paliczkach i kości łódkowatej. Najdłuższy kontakt z podłożem jest widoczny dla głów kości śródstopia, kości sześciennej i pięty, najkrótszy zaś dla paliczków i kości łódkowatej. W tabeli 2 zamieszczono średnie wartości parametrów, odczytane z badań dynamicznych, dla stopy płasko-koślawej. W stopach płasko-koślawych widoczne jest przeciążenie w okolicy kości łódkowatej. Dużą powierzchnię zajmują również głowy kości śródstopia i pięta. W większości przypadków stóp płasko-koślawych największy nacisk zaobserwowano na pięcie i głowach kości śródstopia. W pięcie maksymalny nacisk w większości przypadków jest przesunięty do strony przyśrodkowej, co stanowi potwierdzenie na obecność koślawości pięty. Głowy kości śródstopia, kość sześcienna i pięta stykają się z podłożem najdłużej. Tabela 2. Parametry (wartości średnie) odczytane z badań dynamicznych dla stóp płasko-koślawych Obszar T [µs] P [N/cm2] S [cm2] Stopy 1 358 ± 65 3.7 ± 1.1 6.3±1.9 2 364 ± 65 4.0 ± 0.9 23.4 ± 4.6 3 367 ± 64 2.8 ± 0.6 12.5 ± 2.7 4 318 ± 69 1.7 ± 0.9 5.1 ± 2.7 5 368 ± 64 6.6 ± 1.2 20.5 ± 2.2 T czas kontaktu z podłożem; P maksymalny nacisk; S powierzchnia kontaktu. Na rys. 5 przedstawiono czas nacisku wyodrębnionych segmentów stopy znormalizowany do długości kroku. 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Rys.5. Czas nacisku poszczególnych obszarów stopy znormalizowany do długości kroku (wykres górny stopa prawidłowa; wykres dolny stopa płasko-koślawa) U osób ze stopą prawidłową głowy kości śródstopia stykają się z podłożem najdłużej. Najkrótszy zaś jest czas stykania się kości łódkowatej z podłożem. Dla pacjentów ze stopą płasko-koślawą charakterystyczne jest zwiększenie czasu trwania nacisku kości sześciennej (w porównaniu ze stopą prawidłową) kosztem znacznego zmniejszenia czasu nacisku paliczków oraz w niewielkim stopniu kości piętowej.
ANALIZA ROZKŁADU NACISKÓW POD STOPĄ PODCZAS CHODU CZŁOWIEKA 165 3. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki wykazały, iż badania dynamiczne za pomocą systemu baropodometrycznego dostarczają dużo informacji w zakresie biomechaniki stóp i rozkładu nacisków. Większość autorów prac, którzy wykonują badania na podobnych urządzeniach jest przekonanych o większej wartości prowadzonych badań w warunkach dynamicznych niż statycznych [2-6]. Należy pokreślić, że na rozkład ciśnienia pod stopą zależy od ciężaru ciała osoby badanej, kształtu łuków stopy oraz ustawienie stopy względem kierunku ruchu. Prezentowane wyniki wykazały, że istnieją różnice w rozkładzie nacisków między stopami prawidłowo wysklepionymi i płasko-koślawymi. Tego typu badania mogą stanowić uzupełnienie klinicznej oceny ortopedycznej. Dzięki obrazom dotyczącym rozmieszczenia nacisków na podeszwowej części stopy istnieje możliwość dobrania odpowiedniej wkładki ortopedycznej z właściwymi elementami korygującymi. Można zauważyć duże podobieństwo między obrazem z badań dynamicznych i plantokonturografem w badaniu statycznym w zakresie kształtu i wielkości powierzchni stopy stykającej się z podłożem. LITERATURA 1. Kasperczyk T.: Wady postawy ciała diagnostyka i leczenie.kraków : KASPER, s.c, 2004. 2. Gajewski R., Rajchel-Chyla B.: Badanie rozmieszczenia nacisków na podeszwowej stronie stopy i ich rola w ocenie deformacji stóp i w projektowaniu wkładek do obuwia. W: Materiały konferencji CLPO pt. Obuwie profilaktyczne i ortopedyczne dla dzieci i dorosłych : Potrzeby rynku wymagania stóp zaopatrzenie. Kraków 2005, s.88-91. 3. Cytowicz-Karpiłowska W., Karpiłowski B.: Obciążenia w stopie płasko-koślawej u dzieci. Postępy Rehabilitacji 1997, 11(3), s.123-135. 4. Radło W., Lorkowski J.: Zastosowanie klinicznego badania nacisków stopy na podłoże za pomocą Emed - system w diagnostyce wad i chorób stóp. Chirurgia Narządów Ruchu i Ortopedia Polska 1999, 64(5), s.555-560. 5. Siess R. Jansen S., Mirmiran R.: The role of dynamic plantar pressures in diabetic foot ulcers. Diabetes Car 1997, 20(5), p.855-888. 6. Dening E., Rosenbaum D.: Plantar pressure distribution pattern of Young School Children in Comparsion to Adults. Foot & Ancle 1994, 15, p..35-40. 7. Pauk J., Krupicz B., Rogalski M., Derlatka M., Ihnatouski M.: Badanie biomechaniczne stóp [rozdz.], Wady stóp: biomechanika, diagnostyka, leczenie / pod red. Bazylego Krupnicza. W : rozprawy naukowe. Politechnika Białostocka 2008, s.67-84. THE ANALYSIS OF PLANTAR PRESSURE DISTRIBUTION DURING WALKING Summary. The aim of our study was to estimate underfoot pressure distribution in typical subject, and patients with flat feet. The measurement was taken for 105 children aged between 8-15 years. The pedobarographic system with shoe insoles was used for this measurement. Foot pressure distribution was measured during walking at individual normal walking speed. Time-series pressure measurements for all sensors were grouped into five anatomical areas. Foot pressure distribution was highly significantly different between areas in typical subjects and patients with flat feet.